UNIVERSIDADE FEDERAL DE MINAS GERAIS UFMG ESCOLA DE ENGENHARIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA NUCLEAR CURSO DE CIÊNCIAS E TÉCNICAS NUCLEARES

Transcrição

1 UNIVERSIDADE FEDERAL DE MINAS GERAIS UFMG ESCOLA DE ENGENHARIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA NUCLEAR CURSO DE CIÊNCIAS E TÉCNICAS NUCLEARES Análise Crítica da Medida da Camada Semi-Redutora em Radiologia Diagnóstica Autor: Marco Aurélio de Sousa Lacerda Orientador: Prof. Teógenes Augusto da Silva Co-Orientador: Prof. Arno Heeren Oliveira Belo Horizonte março Escola de Engenharia da UFMG

2 Marco Aurélio de Sousa Lacerda ANÁLISE CRÍTICA DA MEDIDA DA CAMADA SEMI-REDUTORA EM RADIOLOGIA DIAGNÓSTICA Dissertação apresentada ao Curso de Ciências e Técnicas Nucleares do Departamento de Engenharia Nuclear da Escola de Engenharia da Universidade Federal de Minas Gerais, como requisito parcial à obtenção do grau de Mestre em Ciências e Técnicas Nucleares. Área de concentração: Técnicas de Radioproteção Aplicação de Radioisótopos Orientador: Prof. Teógenes Augusto da Silva, D.Sc. Centro de Desenvolvimento da Tecnologia Nuclear (CDTN/CNEN) Professor convidado da UFMG Co-orientador:Prof. Arno Heeren de Oliveira, D.Sc. Departamento de Engenharia Nuclear Universidade Federal de Minas Gerais Belo Horizonte Escola de Engenharia da UFMG 2002

3 iii À Deus, Meus pais, irmãs e Sheila.

4 Agradecimentos Durante a realização deste trabalho contei com a indispensável e valiosa colaboração de vários amigos, aos quais me recordo com sincera gratidão. Em especial gostaria de agradecer a: Teógenes Augusto da Silva, pela orientação científica, apoio e estímulos constantes e pela amizade estabelecida; Arno Heeren Oliveira, pela orientação científica, apoio e amizade estabelecida; Elton Gomes Pereira, pelas inúmeras discussões proveitosas sobre o tema, pelas valiosas sugestões durante a revisão deste trabalho e pela amizade estabelecida; Carlos Manoel Assis Soares, pelas inúmeras discussões proveitosas sobre o tema e pela amizade estabelecida; Aos amigos do Laboratório de Calibração de Dosímetros do CDTN, dos quais recebi todo tipo de apoio: Annibal Theotônio Baptista Neto, Bernadete Van Zanten Coura, Elton Carvalho Guedes, Flávio Ribeiro Alves, Paulo Rogério Gerken e Thêssa Cristina Alonso; A todos os funcionários da Divisão de Proteção Radiológica do CDTN que, de uma maneira direta ou indireta, contribuíram para realização deste trabalho; Aos funcionários do setor de biblioteca do CDTN; Aos professores e funcionários do Departamento de Engenharia Nuclear da UFMG. Ao CDTN, pela oportunidade de realizar o presente trabalho; À CAPES que me concedeu uma bolsa de estudos. iv

5 SUMÁRIO Página LISTA DE FIGURAS LISTA DE TABELAS LISTA DE SIGLAS RESUMO ABSTRACT IX XIII XV XVI XVIII 1. INTRODUÇÃO 1 2. FUNDAMENTOS TEÓRICOS Conceitos de radiologia Produção dos raios-x Radiação de freamento ( Bremmstrahlung ) Raios-X característicos Aparelhos de raios-x Tubos de raios-x Gerador de raios-x O espectro de raios-x Controle do espectro de raios-x Qualidade do feixe de raios-x Interação dos raios-x com a matéria Efeito fotoelétrico Espalhamento Compton Atenuação dos raios-x Controle da radiação espalhada Imagem radiográfica Formação da imagem radiográfica Qualidade da imagem 21 v

6 2.2. Proteção radiológica em radiodiagnóstico Programa de garantia da qualidade em radiodiagnóstico (PGQ) Administração da qualidade (AQ) Controle da qualidade (CQ) Controle dos sistemas de registro e visualização da imagem radiográfica Exatidão do indicador de tensão do tubo (kv p ) Exatidão do tempo de exposição Forma de onda de saída Filtração do feixe Reprodutibilidade da exposição ou do kerma no ar Linearidade da exposição ou do kerma no ar Rendimento do tubo Verificação do tamanho e alinhamento dos campos luminoso e de raios-x e do alinhamento entre os centros do filme e do feixe de radiação Dosimetria das radiações Grandezas físicas ou primárias Fluência, φ Kerma, K Dose absorvida, D Grandezas limitantes ou de proteção Dose absorvida média em um tecido ou órgão, D T Dose equivalente no órgão, H T Dose efetiva, E Grandezas operacionais Dosimetria dos feixes de raios-x diagnóstico Câmaras de ionização Detectores termoluminescentes (TLD s) Estimativa da dose em pacientes submetidos a exames de radiodiagnóstico Camada semi-redutora (CSR) Fatores de influência na medida da CSR Influência da geometria Influência da dosimetria Influência dos atenuadores Influência da metodologia de análise dos dados Padrões de desempenho Incerteza na medição Modelagem da medição Avaliação da incerteza padrão do tipo A Avaliação da incerteza padrão do tipo B Incerteza padrão combinada e expandida 74 vi

7 3. MATERIAIS E MÉTODOS Fonte de raios-x Fonte de radiação gama Câmaras de ionização Canetas dosimétricas Sistema termoluminescente Detectores termoluminescentes Leitora de detectores termoluminescentes Tratamento térmico Seleção dos TLD s Calibração dos TLD s Determinação da camada semi-redutora (CSR) Determinação do valor ótimo da CSR Escolha da técnica radiográfica Desempenho de parâmetros do gerador Atenuadores Arranjo experimental Campo de irradiação Metodologia de Análise dos dados Fatores de influência na medida da CSR Influência da geometria Influência do volume das câmaras de ionização Influência dos meios espalhadores Influência do tipo de detector Medidas com canetas dosimétricas Medidas com TLD (LiF-100) Estimativa das incertezas Conformidade das CSR s encontradas com a Portaria vii

8 4. RESULTADOS E DISCUSSÕES Sistema termoluminescente Seleção dos TLD s Calibração dos TLD s Medida da camada semi-redutora (CSR) Determinação do valor ótimo da CSR Escolha da técnica radiográfica Desempenho de parâmetros do gerador Atenuadores Análise dos dados da atenuação do feixe Ajuste dos pontos Estimativa da CSR Influência do número de pontos varridos Influência da consideração do ponto, medido sem atenuador, no ajuste Proposta de uma nova metodologia Confirmação da nova metodologia Avaliação da metodologia adotada pelo IRD Fatores de influência na determinação da CSR Influência da geometria Influência do volume das câmaras de ionização Influência dos meios espalhadores Influência do tipo de detector Exemplo da estimativa da incerteza na medida da CSR Incerteza do tipo A Incerteza do tipo B Incerteza expandida Conformidade das CSR s encontradas com a Portaria CONCLUSÕES REFERÊNCIAS 175 viii

9 LISTA DE FIGURAS Página 1 - Detalhe dos componentes de um tubo de raios-x com anodo rotatório, detalhando também a estrutura do colimador e dispositivos para ajuste do campo de radiação Detalhe do anodo rotatório, destacando o ponto focal efetivo, função do ângulo do alvo, que em tubos de raios-x diagnóstico situa-se normalmente entre 11 o e 18 o Formas de onda com a respectiva faixa de flutuação do kv (ripple) para diversos tipos de geradores de raios-x usados em radiologia diagnóstica Espectro típico de um feixe de raios-x incidente em um exame Efeito da filtração do feixe na forma do espectro de raios-x, normalizado para as diferentes intensidades (distribuições de fótons) Porcentagens relativas das interações Compton e fotoelétrica na água (aproximadamente igual ao tecido mole) Etapas envolvidas no processo de obtenção da imagem radiográfica Curva de emissão de um material termoluminescente Variação da camada semi-redutora (CSR) com a distância entre o foco e a câmara (DFC). Tensão de pico 300 kv; Filtro de tratamento de 4,0 mm de Cu; Diâmetro do filtro irradiado igual a 10 cm; Distância foco-placas (DFP) igual a metade da DFC Variação da camada semi-redutora (CSR) com a distância entre o foco e as placas ou filtros (DFP). Tensão de pico 300 kv; Filtro de tratamento de 4,0 mm de Cu; Diâmetro do filtro irradiado igual a 10 cm; Distância foco-câmara (DFC) igual a 100 cm Variação da camada semi-redutora (CSR) com o diâmetro do filtro irradiado. Tensão de pico 300 kv; Filtro de tratamento de 4,0 mm de Cu; Distância fococâmara (DFC) igual a 50 cm; Distância foco-placas (DFP) igual a 25 cm Variação da camada semi-redutora (CSR) com o diâmetro do filtro irradiado para diferentes distâncias foco-câmara (DFC). Tensão de pico 300 kv; Filtro de tratamento de 4,0 mm de Cu; Distância foco-placas (DFP) igual a metade da distância foco-câmara (DFC) Variação percentual da CSR (K1=CSR(campo)/CSR(campo zero)) com o diâmetro do filtro irradiado. Distância foco-placas (DFP) igual 25 cm e distância foco-câmara (DFC) igual a 50 cm ix

10 Página 14 - Propagação de erros dosimétricos na determinação da CSR; o erro relativo aparece como uma mudança na inclinação da curva de absorção, resultado de um aumento ou redução da CSR por CSR Consequências de diferentes tipos de erros dosimétricos para determinação da CSR. (a) erro do tipo I, X X = X / X CSR 0; (b) erro do tipo II, 1 / = X 1 = X 2 CSR / CSR 1,5 X 1 / X / 2. CSR / CSR 3 X / X 1 1 ; (c)erro do tipo III, X / X = X X Equipamento de raios-x VMI - Modelo Pulsar PLUS Irradiador gama STS OB85/ Esquema do Irradiador STS OB85/ Desenho e características da câmara RADCAL/MDH 10X Dependência energética da câmara RADCAL/MDH 10X Desenho e características da câmara RADCAL/MDH 10X Dependência energética da câmara RADCAL/MDH 10X Desenho e características da câmara RADCAL/MDH 10X Dependência energética da câmara RADCAL/MDH 10X Dependência energética (em termos de CSR) da câmara interna do eletrômetro RADCAL/MDH modelo 3036 e da câmara externa 30X6-11 acoplada ao mesmo Eletrômetro RADCAL/MDH modelo Eletrômetro RADCAL/MDH modelo 3036 com a câmara 30X-11 acoplada Caneta dosimétrica Dosimeter modelo 862 L Esquema da caneta dosimétrica Dependência energética da caneta Dosimeter modelo 862 L, relativo ao 137 Cs Dependência energética do LiF (relativa ao 137Cs), comparativamente à outros dois dosímetros (Fluoreto de Cálcio e Óxido de Alumínio) x

11 Página 32 - Leitora termoluminescente Harshaw, modelo Forno para tratamento térmico dos detectores termoluminescentes Estufa utilizada para tratamento térmico pré-leitura dos dosímetros termoluminescentes Suporte para acomodar os detectores TL durante o tratamento térmico Curva de emissão do LiF (TLD-100). Tax de aquecimento de 0,4 o Cs Curva de emissão do LiF (TLD-100) após tratamento térmico pré-leitura Esquema do suporte para irradiação dos detectores TL durante a fase de seleção do lote Montagem para irradiação dos detectores TL Dados de entrada do Programa XCOMP5 para determinação do espectro Saída do Programa XCOMP Detalhe do posicionamento coincidente do ponto de referência da câmara ao ponto de referência dos TLD s Detalhe dos TLD s posicionados no campo de irradiação Vista geral do arranjo experimental para determinação do valor ótimo da CSR Detalhes do arranjo experimentalpara determinação do valor ótimo da CSR Detalhe do arranjo experimental com a câmara 10X5-60 acoplada ao eletrômetro modelo Detalhes do arranjo experimental com a câmara 10X5-180 acoplada ao eletrômetro modelo Vista geral do arranjo experimental para caneta dosimétrica posicionada no ar e detalhe do campo de irradiação sobre a mesma caneta Vista geral do arranjo experimental para caneta dosimétrica posicionada sobre camadas de papel e blocos de chumbo Vista geral do arranjo experimental para caneta dosimétrica posicionada sobre a mesa de exames Vista geral do arranjo experimental para TLD s posicionados no ar e detalhe do posicionamento dos mesmos no campo de irradiação xi

12 Página 52 - Vista geral do arranjo experimental para TLD s posicionados sobre blocos de chumbo e camadas de papel Fatores de calibração para a faixa de energia compreendida entre 27,1 a 50,2 kev Dependência energética do grupo de TLD s padronizada para o 137 Cs Linearidade do kerma no ar com a corrente no tubo para uma tensão de pico de 60 kv e tempo de exposição fixo em 100 ms Linearidade do kerma no ar com a corrente no tubo para uma tensão de pico de 80 kv e tempo de exposição fixo em 100 ms Linearidade do kerma no ar com a corrente no tubo para uma tensão de pico de 100 kv e tempo de exposição fixo em 100 ms Linearidade entre o kerma no ar e a carga, para uma tensão de pico de 60 kv Linearidade entre o kerma no ar e a carga, para uma tensão de pico de 80 kv Linearidade entre o kerma no ar e a carga, para uma tensão de pico de 100 kv Comparação entre o ajuste polinomial de sexta ordem e ajuste exponencial para vinte e três pontos da atenuação relativa do feixe com a espessura de alumínio Comparação entre o ajuste polinomial de sexta ordem e ajuste exponencial para dez pontos da atenuação relativa do feixe com a espessura de alumínio (tomados em intervalos de 1,00 mm) Comparação entre o ajuste polinomial de sexta ordem e ajuste exponencial para nove pontos da atenuação relativa do feixe com a espessura de alumínio (tomados em intervalos de 1,00 mm, excluindo-se o primeiro ponto) Ajuste exponencial dos pontos da atenuação relativa do feixe com a espessura de alumínio (faixa de 2,00 a 3,50 mm de Al) Comparação das curvas de atenuação encontradas em um ensaio para os diferentes dosímetros Relação entre a CSR e a tensão de pico para os padrões de desempenho estabelecidos pela SVS (1998) e resultados encontrados no presente trabalho xii

13 LISTA DE TABELAS Página 1 - Fatores de ponderação para a energia e para o tipo de radiação Valores de fatores de ponderação para tecido ou órgão Limites primários anuais de dose Níveis de referência de radiodiagnóstico por radiografia para paciente adulto típico Valores mínimos de camadas semi-redutoras em função da fase e tensão no tubo Especificações do eletrômetro RADCAL/MDH 3036 e câmaras interna e externa Especificações do eletrômetro Faixas de dose das câmaras série 10X quando usadas com o eltrômetro RADCAL/MDH modelo 3036 e o adptador 30A Especificações da caneta dosimétrica Dosimeter modelo 862L Resultados da calibração da caneta Dosimeter 862L, realizada pelo CDT/CNEN Condições de calibração da caneta Dosimeter 862L Características do LiF TLD Seleção dos dosímetros termoluminescentes Resultados da calibração para a técnica 40 kv, 20 ma.s, 200 ma Resultados da calibração para a técnica 60 kv, 20 ma.s, 200 ma Resultados da calibração para a técnica 80 kv, 20 ma.s, 200 ma Resultados da calibração para a técnica 100 kv, 20 ma.s, 200 ma Resultados da calibração para a técnica 110 kv, 20 ma.s, 200 ma Teste da reprodutibilidade do kerma no ar em diferentes técnicas radiográficas Medidas da tensão de pico para diferentes técnicas radiográficas Medidas do kerma no ar e tempo de exposição para tensão de 60 kv em diferentes técnicas radiográficas Medidas do kerma no ar e tempo de exposição para tensão de 80 kv em diferentes técnicas radiográficas Medidas do kerma no ar e tempo de exposição para tensão de 100 kv em diferentes técnicas radiográficas Reprodutibilidade do kerma no ar para as diferentes técnicas radiográficas Estimativa do parâmetro linearidade para as técnicas radiográficas analisadas xiii

14 Página 26 - Comparação entre as leituras de kerma no ar atenuadas com placas comerciais e de alta pureza Medidas de kerma no ar para diferentes espessuras de atenuador Coeficientes da função polinomial e exponencial de melhor ajuste com os respectivos erros, coeficiente de correlação (R) e desvio padrão (DP) do ajuste Resultados da CSR para os ajustes polinomial de ordem seis e exponencial Coeficientes da função polinomial e exponencial de melhor ajuste com os respectivos erros, coeficiente de correlação (R) e desvio padrão (DP) do ajuste Resultados da CSR para os dois ajustes e ambas considerações de I Coeficientes da função polinomial e exponencial de melhor ajuste com os respectivos erros, coeficiente de correlação (R) e desvio padrão (DP) do ajuste Resultados da CSR para os dois ajustes e ambas considerações de I Coeficientes da função exponencial de melhor ajuste com os respectivos erros, coeficiente de correlação (R) e desvio padrão (DP) do ajuste CSR encontrada para os diferentes ajustes nos ensaios realizados com diferentes tamanhos de campo Valores encontrados para a CSR nos seis ensaios realizados com os cinco pontos de interesse para diferentes tamanhos de campo, conforme metodologia presente e do IRD CSR para diferentes condições de geometria, com respectivo desvio em relação à condição ótima CSR s para câmaras de diferentes volumes, acopladas aos eletrômetros RADCAL/MDH modelos 3036 e CSR s para câmaras de diferentes volumes, acopladas aos eletrômetros RADCAL/MDH modelos 3036 e 9010 para diferentes meios espalhadores CSR s determinadas com canetas dosimétricas e TLD s posicionados sobre diferentes meios espalhadores CSR s para diferentes tensões de pico xiv

15 LISTA DE SIGLAS ABNT AAPM CDTN CEC CNEN CSN FDA IAEA ICRP ICRU IEE IRD ISO OMS Associação Brasileira de Normas Técncias American Association of Physicists in Medicine Centro de Desenvolvimento da Tecnologia Nuclear Comissão da Comunidade Européia Comissão Nacional de Energia Nuclear Consejo de Seguridad Nuclear Food and Drug Administration Agência Internacional de Energia Atômica International Commission on Radiological Protection International Commission on Radiation Units and Measurements Instituto de Eletrotécnica e Energia Instituto de Radioproteção e Dosimetria International Organization for Standardization Organização Mundial da Saúde xv

16 RESUMO O presente trabalho faz uma análise crítica do teste da camada semi-redutora (CSR) em radiologia diagnóstica, à luz da norma técnica publicada pela Portaria 453 da Secretaria de Vigilância Sanitária do Minitério da Saúde: Diretrizes de Proteção Radiológica em Radiodiagnóstico Médico e Odontológico. Essa análise consistiu nos seguintes passos: (a) definição do valor ótimo da CSR (metodologia ótima); (b) avaliação dos fatores de influência nas medidas; (c) estimativa das incertezas associadas; (d) verificação da conformidade dos valores encontrados para a CSR com os padrões de desempenho estabelecidos pela Portaria 453. Para a determinação do valor ótimo da CSR, analisou-se os seguintes aspectos: escolha da técnica radiográfica ideal, verificação do desempenho de parâmetros do gerador de influência direta nas medidas, arranjo experimental e atenuadores adequados para a realização dos ensaios e melhor metodologia para análise dos dados. O valor ótimo encontrado com sua devida incerteza associada (estimada de acordo com as recomendações da Associação Brasileira de Normas Técnicas - ABNT, 1998) foi confrontado com àqueles fornecidos através da variação de alguns fatores de influência como: condições de geometria, volume das câmaras de ionização, eletrômetros e tipos de detectores. Em seguida, verificou-se também a adequação dos valores encontrados com os padrões de desempenho estabelecidos pela Portaria 453. O procedimento prático adotado para a realização das medidas mostrou ser bastante confiável. As grandes discrepâncias decorrentes da adoção de metodologias impróprias para a estimativa da CSR, mostrou a necessidade de se realizar uma análise crítica dos xvi

17 demais testes de controle de qualidade de maneira a contribuir para uma melhor análise dos padrões de desempenho a serem empregados para cada teste, de acordo com a realidade do país. Palavras Chaves: Portaria 453, controle de qualidade, radiologia diagnóstica, camada semi-redutora (CSR). xvii

18 ABSTRACT This work makes a critical analyses of the half value layer (HVL) measurement in X-rays machines for diagnostic radiology purposes. It is based on the legal issue Portaria 453 da Secretaria de Vigilância Sanitária do Ministério da Saúde namely, the Diretrizes de Proteção Radiológica em Radiodiagnóstico Médico e Odontológico (SVS, 1998). The following steps had to be carried out: (a) definition of the optimal value of the HVL; (b) evaluation of the factors that influence the measurements; (c) assessment of the associated uncertainties; (d) to check the compliance of the HVL s values found with those prescribed by the SVS (1998). To find the optimal HVL s value many factors had to be verified, such as the best radiographic technique, the performance of some characteristics of the high voltage generator - those which have direct influence on the X-ray output, the experimental disposal that fits best, the metallic layers and data analyses methodology. To evaluate the factors that influence the measurements some studies on the geometries, on the chamber volumes, on the electrometers and on the detectors types were carried out. The associated uncertainties were assessed accordingly to the recommendations of the Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT, 1998). Finally, the HVL s values found were compared to those prescribed by the SVS (1998). Key words: Quality control, diagnostic radiology, half value layer (HVL) xviii

19 1 1. INTRODUÇÃO Os programas de garantia da qualidade (PGQ) implantados em serviços de radiodiagnóstico são hoje importantes ferramentas para a redução dos riscos ao homem associados ao emprego dos raios-x. Como principal proposta desses programas cita-se o estabelecimento de procedimentos para monitorar periodicamente ou continuamente o desempenho das instalações radiológicas com vista a obter uma ótima informação diagnóstica com custos mínimos e também mínimas doses de radiação aos pacientes. Os PGQ s têm início com os testes de aceitação dos equipamentos novos, seguidos de testes periódicos para assegurar se tais equipamentos estão cumprindo com os critérios especificados pelos fabricantes e normas de organizações nacionais de proteção radiológica. Além disso, os PGQ s ocupam-se com a educação continuada e treinamento constante dos funcionários com respeito às técnicas de exames de forma a minimizar os erros, mantendo um alto nível de consciência dos fatores que determinam a qualidade diagnóstica e dose no paciente (ICRP, 1982). No Brasil, a Secretaria de Vigilância Sanitária do Minitério da Saúde, através da Portaria 453 de 1998 (SVS, 1998), aprovou o regulamento técnico: Diretrizes de Proteção Radiológica em Radiodiagnóstico Médico e Odontológico. Tal documento regulamenta o trabalho com radiologia diagnóstica, estabelecendo critérios e medidas de proteção radiológica necessários para a implantação de um PGQ. A filtração do espectro de radiação produzido por um tubo de raios-x é um dos parâmetros a serem controlados para otimização de um exame radiográfico. A técnica mais comumente empregada para se medir a filtração total é aquela que relaciona a mesma à camada semi-redutora (CSR), em uma dada tensão de pico (kv p ). Nesse sentido se aplica os padrões de desempenho estabelecidos pela SVS (1998).

20 2 A determinação da CSR é feita medindo-se a intensidade do feixe de raios-x à medida que se acrescenta atenuadores (alumínio para a qualidade de diagnóstico) de espessuras definidas no caminho do feixe. Aquela espessura necessária para reduzir a intensidade do feixe de raios-x a 50% do valor original é definida como a camada semiredutora do feixe. Medidas precisas da CSR requerem a fixação de todos os parâmetros que possam influir de alguma forma no valor final da medida. O presente trabalho faz uma análise crítica do teste da camada semi-redutora em feixes de raios-x diagnóstico à luz da norma técnica publicada pela SVS (1998). Essa análise visa fixar os parâmetros relevantes nas medidas da CSR, estabelecendo as incertezas associadas, de forma que possa se assegurar a adequação do equipamento analisado aos padrões de desempenho estabelecidos pela SVS (1998). O trabalho pretende fornecer também, através do exemplo realizado para a CSR, os passos básicos envolvidos na análise crítica de um teste de controle de qualidade em radiodiagnóstico. Essa análise é fundamental uma vez que há inúmeras divergências a respeito dos procedimentos mais adequados para a realização dos testes. Divergências essas que podem levar a erros significativos nas medidas.

21 3 2. FUNDAMENTOS TEÓRICOS 2.1. Conceitos de radiologia Antes de entrar especificamente no tema proposto pela dissertação, é necessário abordar alguns conceitos de radiologia. O presente item descreve tais conceitos, resumidos a partir da literatura básica sobre o tema Produção dos raios-x Os raios-x são produzidos quando elétrons altamente energéticos interagem com a matéria, convertendo sua energia cinética em radiação eletromagnética. Os elétrons, acelerados a uma alta velocidade, colidem com o material alvo, sofrendo múltiplas interações. Tais interações resultam na formação de raios-x de diferentes energias e calor, sendo a eficiência de produção de raios-x (<1%) muito baixa comparada à produção de calor, na faixa de energia de interesse em radiologia diagnóstica (BUSHBERG, et. al. 1994). Existem dois mecanismos de produção de raios-x, dependendo do tipo de interação entre os elétrons e o alvo: radiação de freamento e raios-x característico (LAMEL, 1981) Radiação de freamento ( Bremmstrahlung ) Um elétron ao passar bem próximo a um núcleo do eletrodo alvo, terá um desvio em sua trajetória, devido à diferença entre a carga negativa deste e a carga positiva do alvo. Ao ser desviado, a energia cinética perdida devido ao processo de desaceleração é convertida em raio-x, cuja energia é determinada pela distância entre o elétron e o núcleo Ou seja, é máxima para interação direta com o núcleo e diminui a medida que a distância de interação aumenta.

22 Raios-X característicos Quando um elétron do feixe interage com algum elétron orbital de um átomo do eletrodo alvo, pode haver uma transferência de energia capaz de ejetar esse elétron, deixando uma vacância na respectiva camada eletrônica. Esta condição instável é imediatamente corrigida com o preenchimento da vacância criada, por um elétron de uma órbita mais externa (menor energia de ligação). Como no referido processo há uma diminuição da energia potencial do elétron, esse excesso é emitido em forma de raio-x, de energia dada pela diferença entre os níveis energéticos. Uma vez que esses níveis são únicos para cada elemento, os fótons gerados nesse processo são denominados raios-x característicos Aparelhos de raios-x Os aparelhos de raios-x possuem três componentes principais: o painel de controle, o tubo de raios-x e o gerador de alta tensão. O primeiro componente é responsável pelo controle da voltagem e corrente do tubo, bem como do tempo de exposição, de maneira a obter os parâmetros adequados para uma radiografia de boa qualidade (MOTA et al., 2000). Os demais componentes são descritos nos dois próximos sub-itens Tubos de raios-x O tubo de raios-x é um dispositivo que permite a produção de raios-x por um dos dois mecanismos: bremmstrahlung e radiação característica. Seus maiores componentes incluem: catodo, anodo, rotor/stater, envelope de vidro ou metal e alojamento do tubo com os cabos de força. A FIG. 1 mostra detalhes desses componentes, juntamente com os

23 5 colimadores, que são dispositivos anexados ao alojamento do tubo, com a função de definir a forma e o tamanho do campo de radiação (BUSHBERG, et. al. 1994). FIGURA 1 - Detalhe dos componentes de um tubo de raios-x com anodo rotatório, detalhando também a estrutura do colimador e dispositivos para ajuste do campo de radiação. FONTE: BUSHBERG, et. al Os elétrons gerados pela fonte (catodo) são acelerados em direção ao alvo (anodo) no vácuo, através do suprimento de uma alta tensão por um gerador. A diferença de potencial varia de a volts (20 kvp a 150 kvp), para aplicações diagnósticas por imagens. A corrente do tubo, medida em miliamperes (ma), é a quantidade de elétrons que fluem da fonte para o alvo. Para projeções radiográficas comuns, a corrente do tubo normalmente varia de 100 a 1000 ma 16 ( 1mA = 1,6.10 elétrons / segundo ), com tempos de exposição curtíssimos (BUSHBERG, et. al. 1994).

24 6 (a) O Catodo O catodo é a fonte de elétrons do tubo de raios-x ou polo negativo, constituído de um filamento helicoidal de tungstênio circundado por uma capa focalizadora. O circuito do filamento fornece uma diferença de potencial da ordem de 10 volts, para gerar uma corrente na faixa de 3 a 6 amperes. Os elétrons são gerados pelo aquecimento do filamento à altíssimas temperaturas, devido à sua resistência à corrente mencionada, fenômeno denominado emissão termiônica. A capa focalizadora é um dispositivo carregado negativamente, que envolve o filamento, com a finalidade de controlar a dispersão dos elétrons, causada pela repulsão mútua entre eles. Muitos tubos de raios-x diagnóstico possuem dois filamentos focais inseridos na capa focalizadora, um pequeno e outro grande (foco fino e foco grosso), escolhidos conforme a magnitude da corrente desejada (BUSHBERG, et. al. 1994; JOHNS and CUNNIGHAM, 1983). (b) O Anodo O anodo é o eletrodo alvo, mantido em um potencial positivo em relação ao catodo. Dessa forma, os elétrons liberados pelo catodo são acelerados em direção ao anodo, transformando sua energia cinética, através de interações radiativas ou colisionais, em calor ( 99%) e radiação eletromagnética de espectro energético largo, incluindo uma pequena fração de raios-x ( 0,5%) (BUSHBERG, et. al. 1994). O material escolhido para o anodo deve possuir elevada eficiência de conversão de elétrons em fótons (alto número atômico, Z), alto ponto de fusão e alta condutividade térmica. O tungstênio (Z=74), por possuir essas características, é o material mais comumente usado. Em tubos de mamógrafos é comum também, o emprego de molibdênio (Z=42) e ródio (Z=45) (DENDY et al., 1987).

25 7 Os anodos dos tubos de raios-x modernos apresentam-se, normalmente, em duas configurações: fixos e rotatórios. Os primeiros, mais simples, consistem de um pequeno disco de tungstênio, encravado em um bloco de cobre, cuja função é remover o calor gerado no tungstênio, fornecendo também suporte físico para o mesmo. Alguns equipamentos de raios-x odontológicos, e sistemas portáteis de fluoroscopia utilizam essa configuração de anodo. A segunda configuração (anodo rotatório) consiste de um disco de tungstênio conectado a um dispositivo que gira durante a produção de raios-x. A rotação é realizada por um motor de indução, constituído de um rotor e stater (FIG. 1 anterior) e tem a função de distribuir melhor a energia térmica instantânea em toda a área da faixa focal. Essa área, que define o tamanho do ponto focal, juntamente com o ângulo do anodo é mostrada na FIG. 2. φ FIGURA 2 - Detalhe do anodo rotatório, destacando o ponto focal efetivo, função do ângulo do alvo, que em tubos de raios-x diagnóstico situa-se normalmente entre 11 o e 18 o. FONTE: BUSHBERG, et. al

26 8 Ao anodo estão relacionados dois problemas: efeito anódico (Heel Effect) e radiação extra focal (Off-focus radiation). O primeiro, refere-se à redução da intensidade do feixe de raios-x, no lado onde está situado o anodo, no campo de radiação, explicado pela maior espessura de anodo atravessado pelo fóton que emerge desse lado. O segundo, é causado pelos elétrons que colidem com outras áreas do anodo, criando uma grande fonte de raios-x de baixa intensidade (BUSHBERG, et. al. 1994). (c) Envelope de vidro e alojamento do tubo O catodo, anodo, rotor e as respectivas estruturas de suporte, do tubo de raios-x são inseridas em um envelope de vidro ou metal, onde é criado vácuo, para evitar colisões dos elétrons provenientes do catodo com as moléculas de gás. Esse envelope é isolado e protegido por uma estrutura ou invólucro que contém um óleo especial, para garantir a condução do calor e isolamento elétrico, e uma blindagem de chumbo para atenuar os raios-x emitidos em outras direções, fora da janela do tubo. A radiação de fuga consiste dos raios-x que atravessam essa blindagem, existindo limites estabelecidos por normas para controle da mesma (DENDY et al., 1987) Gerador de raios-x Os geradores de raios-x distribuem a potência elétrica necessária para energizar o tubo de raios-x e permitem a seleção da energia e quantidade dos raios-x, bem como do tempo de exposição. Os geradores possuem: (a) um circuito elétrico que transforma a voltagem de linha padrão em alta voltagem (transformadores); (b) um painel de controle para permitir a seleção da voltagem, corrente do tubo e tempo de exposição; (c) um circuito retificador (diodo), para permitir o fluxo de elétrons somente no sentido catodoanodo e; (d) medidores de tensão e corrente, que consistem respectivamente de resistores

27 9 calibrados que controlam a voltagem do circuito do filamento (catodo) e amperímetros para medir a corrente necessária para a emissão termiônica requerida (DENDY et al., 1987; BUSHBERG, et. al. 1994). Quatro tipos de geradores são comumente usados: monofásicos, trifásicos, de potencial constante e inversor de média/alta frequência. Todos possuem basicamente os mesmos componentes citados no parágrafo anterior. A FIG. 3 ilustra, resumidamente, as formas de onda da voltagem para cada tipo de gerador, destacando a faixa de flutuação (ripple) definida como: Vmáx Vmín Ripple (%) =.100 (2.1) Vmáx Onde, V máx. e V mín. são, respectivamente, os valores máximos e mínimos da forma de onda da voltagem de entrada do gerador. 100% 3% 10% 100% 4% 15% 13% 25% <2% FIGURA 3 - Formas de onda com a respectiva faixa de flutuação do kv (ripple) para diversos tipos de geradores de raios-x usados em radiologia diagnóstica. FONTE: BUSHBERG, et. al

28 O espectro de raios-x A distribuição de fótons de diferentes energias em um feixe tem efeitos significantes no exame radiológico. O contraste da imagem, a espessura do paciente, que pode ser radiologicamente visualizada, a dose no paciente e a quantidade de radiação espalhada na sala são todas afetadas pela composição energética dos fótons (LAMEL, 1981). Um espectro típico da energia de um feixe incidente em um exame é mostrado na FIG. 4. A curva suave (espectro contínuo) representa a contribuição das interações bremsstrahlung e os picos representam os raios-x característicos, cujas energias dependem do material do alvo. 4,0 Espectro Bremsstrahlung Radiação característica Intensidade Relativa (%) 3,0 2,0 1,0 0, Energia Efetiva (kev) FIGURA 4 - Espectro típico de um feixe de raios-x incidente em um exame. Programa: XCOMP (Tensão de 90 kv; filtração 2,0 mm de Al e distância de 100 cm do foco) Controle do espectro de raios-x A forma do espectro de energia será fortemente influenciada por três fatores: a filtração do feixe, a voltagem do tubo e o tipo particular de suprimento da alta voltagem (AAPM, 1980). A variação da corrente no tubo não afeta o espectro de raios-x, uma vez

29 11 que a corrente está teoricamente relacionada com a taxa de produção de fótons e não com sua energia. Logo, estando fixo o produto da corrente pelo tempo (ma.s), teoricamente não deveria ser observada diferença na imagem radiográfica. Na prática podem surgir diferenças que devem ser verificadas através do teste da reciprocidade do kerma no ar, referenciado no item (a) Efeito da filtração Quando um feixe de raios-x atravessa um determinado material, sua intensidade será reduzida devido à absorção dos fótons de menores energias. Isso ocasionará um estreitamento do espectro de radiação, como mostrado na FIG. 5. 7,0 6,0 "90 kv mm de Al" "90 kv mm de Al" "90 kv mm de Al" 5,0 Frequência (%) 4,0 3,0 2,0 1,0 0, Energia Efetiva (kev) FIGURA 5 - Efeito da filtração do feixe na forma do espectro de raios-x, normalizado para as diferentes intensidades (distribuições para fótons). Programa XCOMP (Tensão de 90 kv; distância de 100 cm e filtrações de 2,0 mm, 9,0 mm e 20,0 mm de Al, respectivamente).

30 12 A energia efetiva do feixe (E ef ), ou a energia mais provável, representada na FIG. 5 (aproximadamente 1/3 da energia máxima), aumenta a medida que se acrescenta os filtros no caminho do feixe, tornando-o cada vez mais mono-energético ou penetrante. Se por um lado o aumento da filtração do feixe (diminuindo o número de fótons de baixa energia) diminui a dose na pele do paciente, ele possui o inconveniente de diminuir o contraste e também o número total de fótons, diminuindo, assim, a qualidade da imagem radiográfica. (b) Efeito da voltagem do tubo Aumentando-se o potencial de aceleração dos elétrons, aumenta-se a energia efetiva do espectro de raios-x, consequência do aumento do número de fótons de maior energia. Isso ocasionará um efeito mais significante na imagem radiográfica que a remoção dos fótons de menor energia (AAPM, 1980). (c) Efeito do suprimento de alta voltagem Diferenças significantes podem ser encontradas entre espectros de raios-x produzidos por tubos e combinações de filtros idênticos, porém formas de onda da alta voltagem diferentes. As escolhas dos tipos de geradores e circuitos retificadores modificam o espectro dos elétrons produzidos e, portanto, alteram a distribuição espectral e a taxa de produção dos raios-x (AAPM, 1980) Qualidade do feixe de raios-x A descrição da natureza de um feixe de raios-x em termos da habilidade desse feixe penetrar um material de composição conhecida é de interesse peculiar na radiologia diagnóstica. Essa descrição expressa a qualidade do feixe e está diretamente relacionada com a composição energética dos fótons, representada pelo espectro de raios-x.

31 13 A expressão mais completa da qualidade de um feixe de raios-x é sua distribuição espectral. Os métodos para determinação de tal espectro incluem: (a) análise de atenuação; (b) cálculos teóricos; (c) espectometria com detectores cintiladores, contadores proporcionais (gasosos), detectores de germânio-lítio (Ge (Li)) e germânios hiperpuros (HPGe) (ICRU, 1962, 1970; KNOLL, 1989). A camada semi-redutora (CSR), definida como a espessura de um dado material absorvedor que reduz (atenua) a intensidade do feixe à metade do valor original, é o parâmetro mais utilizado para expressar a qualidade do feixe. Porém, a CSR unicamente não é adequada para medir a habilidade de penetração de um feixe, sendo necessário um parâmetro adicional como a tensão de pico ou o coeficiente de homogeneidade (razão entre a primeira e segunda CSR). A segunda CSR é definida como a espessura de material absorvedor necessário para reduzir a intensidade do feixe de 50% para 25% do seu valor inicial (ICRU, 1962). O coeficiente de homogeneidade é tratado por TROUT et al. (1962) Interação dos raios-x com a matéria O contraste entre as diferentes estruturas do corpo em um exame de radiodiagnóstico é resultante da remoção dos fótons do feixe primário. A qualidade do feixe influencia a qualidade da imagem e a dose no paciente através dos mecanismos pelos quais os fótons de diferentes energias interagem com o tecido (MARTIN et al., 1999a). Dois mecanismos de interação são importantes para feixes de raios-x diagnóstico: o efeito fotoelétrico e o espalhamento Compton.

32 Efeito fotoelétrico O efeito fotoelétrico é o processo pela qual um fóton de raios-x interage com a matéria, transferindo toda sua energia para um elétron (normalmente da camada K ou L) ligado ao átomo do absorvedor. Esse elétron será ejetado do átomo com uma energia cinética (E e ) igual a diferença entre a energia do fóton (E 0 ) e a energia de ligação do elétron orbital (E l ) (BUSHBERG, et. al. 1994). E = E 0 (2.2) e E l A lacuna deixada pelo elétron ejetado será preenchida por elétrons de camadas mais externas (menor energia de ligação), resultando na emissão de raios-x característicos e/ou elétrons Auger. Como as energias desses raios-x são muito baixas para os elementos constituintes dos tecidos biológicos e, os elétrons Auger e fotoelétrons possuem um pequeno alcance dentro dos mesmos tecidos, o efeito fotoelétrico é um processo essencialmente local. Ou seja, toda a energia do fóton inicial é absorvida próximo ao ponto de interação (JOHNS and CUNNIGHAM, 1983; LAMEL, 1981). A probabilidade de absorção fotoelétrica por unidade de massa é aproximadamente proporcional a Z 3 /E 3, onde Z é o número atômico do absorvedor e E é a energia do fóton incidente (BUSHBERG, et. al. 1994). Essa proporcionalidade explica o contraste da imagem entre o osso e o tecido mole (densidade do osso igual a 1,85 g/cm 3 e do tecido mole 1 g/cm 3 ) e o decrescimento acentuado do mesmo contraste para raios-x de altas energias Espalhamento Compton O espalhamento Compton é a interação predominante dos raios-x com o tecido mole na faixa de energia de radiodiagnóstico, e ocorre entre os fótons e os elétrons de

33 15 valência, que possuem energias de ligações desprezíveis. O elétron é ejetado do átomo e o fóton espalhado com a seguinte energia: E0 E esp = (2.3) 1+ ( E / 0,511).(1 cosθ )] [ 0 Onde, E 0 e E esp são, respectivamente, a energia do fóton incidente e espalhado, em MeV; θ é o ângulo do fóton espalhado em relação à trajetória incidente. A probabilidade de interação Compton no tecido aumenta (comparada à interação fotoelétrica) com o aumento da energia do fóton incidente (FIG. 6). A densidade eletrônica (produto do número de elétrons por grama de material pela densidade) também influi na probabilidade de interação Compton, uma vez que sendo o número de elétrons por grama praticamente constante no tecido (exceção do hidrogênio), a mesma probabilidade por unidade de massa é praticamente independente de Z e por unidade de volume é aproximadamente proporcional a densidade do material (BUSHBERG, et. al. 1994). Porcentagem relativa Compton Energia (kev) Fotoelétrico FIGURA 6 - Porcentagens relativas das interações Compton e fotoelétrica na água (aproximadamente igual ao tecido mole). FONTE: LAMEL, 1981.

34 Atenuação dos raios-x Um feixe de raios-x monoenergético ao atravessar um determinado material de espessura x sofrerá atenuação ou redução do número de fótons, causado por absorção ou espalhamento, segundo uma lei exponencial: I = I e (2.4). µ. x 0 onde, I : é o número de fótons que atravessam o material; I 0 : é o número de fótons que incidem no material (feixe primário); µ: coeficiente de atenuação linear, em 1 cm. O coeficiente µ representa a probabilidade do fóton de raios-x ser removido do feixe por espessura de material. Ele é a soma do coeficiente de atenuação linear individual para cada tipo de interação, que para a faixa de energia de diagnóstico são o efeito fotoelétrico e espalhamento Compton. O primeiro tipo de interação, como foi dito, é altamente dependente da energia dos fótons (predomina em energias efetivas menores que 30 kev) e número atômico do absorvedor; já o espalhamento Compton predomina em energias mais altas e absorvedores com baixo número atômico (como o tecido) (KNOLL, 1989). A definição de CSR permite deduzir, através da EQ. 2.4: I 0 2 = I 0. e ln(2 CSR = µ µ. CSR ) (2.5)

35 17 O uso do coeficiente de atenuação linear é limitado pelo fato dele variar com a densidade do absorvedor (ρ), mesmo que o absorvedor seja o mesmo ( µ água µ gelo > µ vapor > ). Dessa forma, é comum o uso do coeficiente de atenuação em massa ( µ / ρ em cm 2 / g ) e a espessura mássica ( ρ. x em 2 g / cm ) na EQ. 2.4: I = I e (2.6). ( µ / ρ ).( ρ. x) Controle da radiação espalhada O feixe de radiação que emerge de um objeto irradiado consiste de duas partes distintas: radiação primária e radiação secundária. A radiação primária é a radiação emitida diretamente do tubo de raios-x. Ao passar através do paciente, essa radiação primária será fortemente reduzida em intensidade (atenuação), a partir das interações individuais de cada fóton. A radiação secundária é o resultado das interações dos fótons primários com o paciente (LAMEL, 1981). Na faixa de energia de radiodiagnóstico, a radiação secundária consiste de raios-x característicos, fotoelétrons, fótons espalhados e elétrons Compton. Como os elétrons têm um alcance muito pequeno no tecido, os fotoelétrons e elétrons Compton são essencialmente absorvidos localmente. Os raios-x característicos para a maior parte dos constituintes do tecido vivo possuem energias pequenas para conseguirem alcançar o filme radiográfico. Logo, apenas o espalhamento Compton produz radiação secundária significante (LAMEL, 1981). A radiação espalhada é um problema para a imagem radiográfica, uma vez que diminui bastante o contraste, ao produzir uma mudança maior na densidade ótica do filme nas regiões mais claras, obscurecendo detalhes anatômicos relevantes. Dessa forma, devese buscar meios de diminuir o espalhamento, o que normalmente é feito reduzindo a área

36 18 irradiada (colimação), usando grades anti-difusoras, afastando o filme do paciente ( air gap ) e usando a técnica da fenda móvel ( moving slit ) (BUSHBERG, et. al. 1994). (a) Colimação A redução do tamanho do campo diminui o volume de tecido irradiado, diminuindo, portanto, a exposição à radiação de partes do corpo sem interesse diagnóstico. Porém, em uma aparente contradição, a diminuição do tamanho do campo implica num aumento dos fatores de técnica radiográfica, para obtenção da mesma densidade ótica. No entanto, esse aumento é menor comparado a redução da dose, alcançada pela diminuição do volume de tecido irradiado (MOTA et al., 2000). Os principais dispositivos utilizados para limitar a forma e o tamanho do campo de radiação são: diafragmas, colimadores ajustáveis, cones e cilindros. Diafragma é uma folha de chumbo presa ao cabeçote do tubo com um orifício no meio que determina a forma e o tamanho do campo. Cones e cilindros são tubos de metal de várias formas e tamanhos que limitam o campo de radiação, na extremidade oposta ao cabeçote, diferenciando, dessa forma, dos diafragmas, que limitam o campo junto ao cabeçote. Os colimadores ajustáveis são encontrados atualmente em quase todas as máquinas novas de raios-x diagnóstico e consistem de dois pares de lâminas de chumbo, com ajustes independentes, que fazem entre si um ângulo de 90 o (FIG. 1). Eles normalmente são acompanhados de um localizador luminoso composto de lâmpada e espelho, que se bem regulados com o colimador, projetam um campo luminoso coincidente com o feixe de radiação (MOTA et al., 2000; LAMEL, 1981). (b) Grades anti-difusoras As grades anti-difusoras são compostas de uma série de pequeníssimas lâminas alternadas de chumbo e material radiotransparente orientadas de modo a permitir a

37 19 passagem da maior parte dos fótons primários, absorvendo os fótons espalhados (espaços alinhados com o ponto focal) (MOTA et. al., 2000). As grades reduzem a quantidade de radiação espalhada que alcança o receptor de imagem, porém, o uso das mesmas pode aumentar consideravelmente (fator de 2 a 4) a dose no paciente. Por isso, cuidados devem ser tomados no que tange à necessidade de sua utilização e as características que devem possuir (ICRP, 1982; MARTIN et al., 1999). (c) Técnica Air Gap O uso de espaços de ar entre o paciente e o receptor de imagem pode ser uma alternativa eficiente para substituir as grades, uma vez que esse espaçamento reduz a radiação espalhada pelo paciente recebida pelo detector. As limitações da utilização dessa técnica são: magnificação da imagem, perda de detalhe (devido ao aumento da penumbra) e aumento da dose no paciente (ICRP, 1982; LAMEL, 1981). (d) Técnica do Moving Slits É uma técnica idealizada há muitos anos, mas que só recentemente, com o avanço da tecnologia, pôde ser aplicada na prática. Consiste na irradiação do paciente com um feixe de raios-x colimado, com o formato de uma fenda que se move sincronizada com o tubo e outra fenda localizada junto ao filme. Com isso, elimina-se grande parte da radiação espalhada pelo paciente, melhorando o contraste radiográfico e diminuindo a dose no paciente (MOTA et al., 2000; LAMEL, 1981) Imagem radiográfica A imagem radiográfica é a resposta do sistema de detecção à passagem do feixe de raios-x através da parte do corpo que se pretende diagnosticar. Em suma, ela é o produto